JP5572458B2 - Radial inlet guide vanes for combustors - Google Patents
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Description
本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、燃焼器において半径方向入口案内翼又はスワーラを使用して燃焼器ノズルに対してより均一な空気流分布をもたらすようにすることに関する。 The present application relates generally to gas turbine engines, and more particularly to use a radial inlet guide vane or swirler in a combustor to provide a more uniform air flow distribution to the combustor nozzle. About that.
ガスタービンエンジンでは、運転効率は、燃焼ガス流の温度が上昇するにつれて増大する。しかしながら、より高いガス流温度は、より高いレベルの窒素酸化物(NOx)すなわちエミッションを発生させる可能性があり、このエミッションは、米国において連邦及び州政府の両方の規制を受け、また海外における同種の規制を受ける。従って、ガスタービンを効率的な温度範囲で運転することと同時に、NOx及びその他のタイプのエミッションの発生を規制レベル以下に維持するのを保証することとの間でバランスさせることになる。 In gas turbine engines, operating efficiency increases as the temperature of the combustion gas stream increases. However, higher gas stream temperatures can generate higher levels of nitrogen oxides (NOx) or emissions, which are subject to both federal and state government regulations in the United States, and are similar overseas. Subject to regulations. Thus, there is a balance between operating the gas turbine in an efficient temperature range and at the same time ensuring that the generation of NOx and other types of emissions remains below regulatory levels.
最近の燃焼概念は、燃焼器内においてより大径の通路を備えた幾つかのノズルではなくて多くの小径の通路を備えた多数のノズルを使用することを伴う。これらの小径通路を備えたノズルは、短い流れ滞留時間内に高速の燃料/空気混合をもたらす。ノズルはまた、燃料及び/又は空気を使用した有効な冷却と共に強力な壁熱伝達を行なう。従って、これらの小型ノズル又はその他のタイプの燃焼ノズルは、エミッションを低減しかつさらに高反応性タイプの合成ガス及びその他の燃料、特に高水素燃料の使用を可能にする能力を有することができる。しかしながら、これらのノズルの設計では、燃焼器キャップ空間のより多くを利用して多くの小型ノズル間で空気を適正に分配するようにすることが必要となる可能性がある。 Recent combustion concepts involve the use of multiple nozzles with many smaller diameter passages in the combustor rather than several nozzles with larger diameter passages. Nozzles with these small diameter passages provide fast fuel / air mixing within a short flow residence time. The nozzle also provides strong wall heat transfer with effective cooling using fuel and / or air. Thus, these small nozzles or other types of combustion nozzles can have the ability to reduce emissions and further allow the use of highly reactive types of synthesis gas and other fuels, particularly high hydrogen fuels. However, these nozzle designs may require that more of the combustor cap space be utilized to properly distribute air among many small nozzles.
エミッション及び逆火の発生可能性を最小にするためには、可能な限りノズルにわたる(ノズル間における)空気流分布を均一にすることが望ましいことになる。現在の燃焼器設計では、その中にノズル間空気流変動を又はさらに通路間空気流変動をさえも有する可能性がある。最外側ノズル又はチューブは、空気がノズルに達する時に局所的流れ剥離のためにより少ない空気流を受ける可能性がある。そのような剥離は、より少ない空気流を有するノズルに保炎及び逆火を生じる可能性があるので、ノズル作動性に悪影響を与える可能性がある。剥離はまた、窒素酸化物(NOx)及び一酸化炭素(CO)のような燃焼発生エミッションに悪影響を与える可能性がある。不均一空気流分布の程度はまた、負荷又は全空気質量流量により変化する可能性がある。短尺ライナを備えた又はライナを備えていない燃焼器のケースでは、キャップ表面を湾曲させて、ノズル流れを僅かに内向きにするようにしている場合がある。しかしながら、そのような設計では、流れを供給する場合に、外径領域近くにより多くの空気を必要とする可能性がある。 In order to minimize the possibility of emissions and flashback, it is desirable to make the airflow distribution across the nozzles as uniform as possible. Current combustor designs may have inter-nozzle air flow fluctuations or even inter-passage air flow fluctuations therein. The outermost nozzle or tube may experience less air flow due to local flow separation when air reaches the nozzle. Such delamination can adversely affect nozzle operability as it can cause flame holding and flashback on nozzles with less airflow. Exfoliation can also adversely affect combustion-generated emissions such as nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO). The degree of non-uniform air flow distribution can also vary with load or total air mass flow. In combustor cases with short liners or without liners, the cap surface may be curved to make the nozzle flow slightly inward. However, such a design may require more air near the outer diameter region when supplying the flow.
従って、燃焼器及び燃焼器キャップの周りにより均一な空気流分布をもたらす願望が存在する。好ましくは、そのような均一な空気流は、特に高反応性合成ガス、高水素燃料及び同様なタイプの燃料を使用して、エミッションの低減と同時にガスタービンエンジンの全体性能の改善との両方を可能にすべきである。 Thus, there is a desire to provide a more uniform air flow distribution around the combustor and combustor cap. Preferably, such a uniform air flow uses both highly reactive synthesis gas, high hydrogen fuel and similar types of fuels to both reduce emissions and improve overall performance of the gas turbine engine. Should be possible.
従って、本出願は、燃焼器を提供する。本燃焼器は、該燃焼器を貫通する内部流路と、内部流路と連通した幾つかのノズルと、内部流路の周りに配置されて該内部流路内に旋回流を形成する入口案内翼システムとを含むことができる。 The present application thus provides a combustor. The combustor includes an internal flow path penetrating the combustor, several nozzles communicating with the internal flow path, and an inlet guide disposed around the internal flow path to form a swirl flow in the internal flow path. And a wing system.
本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、該燃焼器を貫通する内部流路と、内部流路と連通した予混合直接噴射ノズルと、内部流路の周りに配置されて該内部流路内に旋回流を形成する幾つかの入口案内翼とを含むことができる。 The present application further provides a combustor. The combustor includes an internal flow path penetrating the combustor, a premixed direct injection nozzle communicating with the internal flow path, and a number of swirling flows disposed in the internal flow path. And an inlet guide vane.
本出願はさらに、燃焼器を提供する。本燃焼器は、該燃焼器を貫通する内部流路と、キャップ部材と、キャップ部材内に配置されかつ内部流路と連通した幾つかのノズルと、内部流路の周りに配置された幾つかの入口案内翼とを含むことができる。入口案内翼は、流れ通路の下方部分から延びて部分的旋回流を形成することができかつ流れ通路のウィンドウの周りで終端して部分的非旋回流を形成ようにして、旋回流全体がノズル間でほぼ均一な分布を有することができるようにすることができる。 The present application further provides a combustor. The combustor includes an internal flow path penetrating the combustor, a cap member, several nozzles disposed in the cap member and in communication with the internal flow path, and some disposed around the internal flow path. Inlet guide vanes. Inlet guide vanes, and a partial non-swirling flow terminates at around extending from the lower portion of the flow passage can be formed partially swirling flow and the flow passage window in forming the entire swirl flow It is possible to have a substantially uniform distribution among the nozzles.
本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。 These and other features and improvements of the present application will become apparent to those skilled in the art upon review of the following detailed description, taken in conjunction with the several drawings and claims.
次に、幾つかの図全体を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図1は、ガスタービンエンジン10の側面断面図を示している。公知なように、ガスタービンエンジン10は、流入空気流れを加圧する圧縮機12を含むことができる。圧縮機12は、加圧空気流れを燃焼器14に送給する。燃焼器14は、加圧空気流れを加圧燃料流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させる。(単一の燃焼器14のみを示しているが、ガスタービンエンジン10は、あらゆる数の燃焼器14を含むことができる。)次に、高温燃焼ガスが、タービン16に送給される。高温燃焼ガスは、タービン16を駆動して、機械的仕事を産生するようにする。タービン16内で産生された機械的仕事は、圧縮機12を駆動しかつ発電機などのような外部負荷を駆動する。
Referring now to the drawings wherein like reference numerals represent like elements throughout the several views, FIG. 1 shows a side cross-sectional view of a
ガスタービンエンジン10は、天然ガス、様々なその他のタイプの合成ガス及びその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジンは、ニューヨーク州スケネクタディ所在のGeneral Electric Companyから市販の7F又は9F型高出力ガスタービンエンジンとすることができる。ガスタービンエンジン10は、その他の構成を有することができ、またその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンを使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン10、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置を共に使用することができる。
The
図2は、本明細書で使用することができる燃焼器14の実施例の側面断面図である。燃焼器14は、その第1の端部に配置されたエンドカバー18からその反対側端部におけるキャップ部材20まで延びる燃焼器缶15を含む。キャップ部材20は、エンドカバー18から間隔を置いて配置されて燃焼器缶15を通る加圧空気の流れのための内部流路22を形成する。キャップ部材20は、それを貫通して延びる予混合直接噴射ノズル23或いはその他のタイプの燃料ノズル又は噴射器を形成することができる。予混合直接噴射ノズル23は、燃料通路25と連通した幾つかの小型ノズル24を含むことができる。小型ノズル24は、傾斜させて配置することができ、或いはそれら小型ノズル24は、真直ぐに配置することができる。燃料通路25は、エンドカバー18から燃料ノズル23に延びて、該燃料ノズル23に燃料を送給することができる。予混合噴射ノズル23は一般的に、低燃焼発生NOx及び低燃料圧力損失で良好な燃料空気混合を行なって、高いシステム効率が得られるようにする。
FIG. 2 is a side cross-sectional view of an example of a
燃焼器14はさらに、燃焼器缶15の上流に配置された燃焼ライナ26及び流れスリーブ28を含む。燃焼ライナ26及び流れスリーブ28は、燃焼器缶15を貫通しかつ内部流路22と逆方向流れ連通した外側流路30を形成することができる。外側流路は、燃焼ライナ26に対して冷却を行なうことができる。
The
従って、圧縮機12からの空気は、燃焼ライナ26及び流れスリーブ28間の外側流路30を通って流れ、次に燃焼器缶15内に反転する。空気は次に、エンドカバー18及びキャップ部材20間に形成された内部流路22を通って流れる。空気がキャップ部材20の予混合直接噴射ノズル23を通って流れる時に、空気は燃料通路25からの燃料流れと混合されかつ燃焼チャンバ32内で点火燃焼される。本明細書に示す燃焼器14は、実施例としてのみのものである。本明細書では、多くのその他のタイプの燃焼器14の設計及び燃焼方法を使用することができる。
Thus, air from the
空気流が内部流路22を通ってキャップ部材20のノズル23に達する時に、キャップ部材20にわたって大きな速度分布変動が発生する可能性がある。これらの速度変動は、特にその各々が公知の大型ノズルの僅かな数を使用するのではなくて多数の小径チューブ24を備えた幾つかの予混合直接噴射ノズル24を使用する場合に、問題となる可能性がある。そのような速度変動は、上記したようにエミッションレベル及びその他のタイプの燃焼ダイナミックスに悪影響を与える可能性がある。これらの速度変動は、キャップ部材20の外径領域34から中心領域36に向かって拡大する可能性がある。
When the air flow reaches the
図3〜図5は、本明細書に記載することができるような燃焼器100の側面断面図を示している。燃焼器100は、上記に記載したものと同様な燃焼器缶110を含むことができる。燃焼器100は、該燃焼器内に配置された入口案内翼システム120を含むことができる。入口案内翼システム120は、流れ調整装置として作用しかつ燃焼ライナ26及び流れスリーブ28間の外側流路30の周りに配置することができる。入口案内翼システム120は、エンドカバー18に対して取付けることができ或いはその他の方法で配置することができる。
3-5 illustrate a side cross-sectional view of a
入口案内翼システム120は、幾つかの案内翼130を含むことができ、各案内翼130は半径方向に軸140上に配置して該軸40と共に回転するようにすることができる。案内翼130は、燃焼ライナ26を通る流れ通路160の下方部分150においてその周りに配置することができる。案内翼130は、流れ通路160の上方部分(エンドカバー18に近接した)における該流れ通路160のウィンドウ170において長手方向に終端することができる。幾つかの案内翼130を備えた流れ通路160の下方部分と案内翼130を備えていない流れ通路160のウィンドウ170との面積比は、下流ノズル間における所望の空気流れ分布を達成するように変化させることができる。案内翼130の角度は、固定とするか又は調整可能とすることができる。案内翼130のあらゆる数又は形状を使用することができる。軸140は、駆動モータに取付けるか又はその他の方法で動力供給することができる。
The inlet
使用中に、空気流れ190は、外側流路30に沿って進むことができ、案内翼システム120を通ってかつキャップ部材20の小型ノズル23に向かって内部流路22内に流れることができる。案内翼130は、キャップ部材20の外径領域34の近くにおいてより高い圧力で旋回流200を形成するような特定のスワール角度を生じさせることができる。旋回流200の強さは、案内翼130のスワール角度及び/又は長さを変化させることによって制御することができる。従って、全負荷及び部分負荷状態の両方において、キャップ部材20及びノズル23にわたるほぼ均一な空気分布を保証するような伝達関数を案内翼130と空気流量との間に確立することができる。案内翼130のスワール角度と共にその全長及び翼弦長さは、ノズル24にわたってより均一な空気形態分布をもたらすように最適化することができる。さらに、入口案内翼130は、少なくとも部分的旋回流を形成することができ、一方、流れ通路160のウィンドウは、部分的非旋回流を形成して、得られた旋回流200全体がノズル24にわたるより均一な分布を有することができるようにすることができる。
During use, the
従って、入口案内翼システム120は、全ての負荷状態においてノズル24間に均一な空気流分布をもたらす低い圧力損失及び可変スワール調整装置を形成する。入口案内翼システム120は、短尺ライナ26を高水素燃料燃焼で使用する場合であってもそのような均一な空気分布を可能にする。
Accordingly, the inlet
上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。 The foregoing description relates only to some embodiments of the present application, and in this specification, those skilled in the art will depart from the general technical idea and technical scope of the present invention defined by the claims and their equivalents. It should be understood that many changes and modifications can be made without
10 ガスタービンエンジン
12 圧縮機
14 燃焼器
15 燃焼器缶
16 タービン
18 エンドカバー
20 キャップ部材
22 内部流路
23 予混合直接噴射ノズル
24 小径チューブノズル
25 燃料通路
26 燃焼ライナ
28 流れスリーブ
30 外側流路
32 燃焼チャンバ
34 外径領域
36 中心領域
100 燃焼器
110 燃焼器缶
120 入口案内翼システム
130 入口案内翼
140 軸
150 下方部分
160 流れ通路
170 ウィンドウ
180 駆動モータ
190 空気流れ
200 旋回流
DESCRIPTION OF
Claims (10)
該燃焼器を貫通する内部流路(22)と、
前記内部流路(22)と連通した複数の燃料ノズル(24)であって、軸方向に延びて互いに半径方向に離隔した複数の燃料ノズル(24)と、
前記複数の燃料ノズル(24)の上流で前記内部流路(22)の周りに配置されて該内部流路内に旋回流(200)を形成する入口案内翼システム(120)と
を備えており、前記入口案内翼システム(120)が、
前記複数の燃料ノズル(24)の上流に周方向に配置された複数のウィンドウ(170)と、
前記複数の燃料ノズル(24)の上流に周方向に配置された複数の入口案内翼(130)であって、前記複数のウィンドウ(170)の各々にそれぞれ近接して配置された複数の入口案内翼(130)と
を備えている、燃焼器(100)。 A combustor (100), the combustor (100) being
An internal flow path (22) passing through the combustor;
A plurality of fuel nozzles (24) in communication with the internal flow path (22), the plurality of fuel nozzles (24) extending in the axial direction and spaced apart from each other in the radial direction ;
Includes upstream in disposed around said internal passage (22) swirling flow to the internal flow path and the inlet guide vane system (120) to form a (200) of said plurality of fuel nozzles (24) The inlet guide vane system (120),
A plurality of windows (170) disposed circumferentially upstream of the plurality of fuel nozzles (24);
A plurality of inlet guide vanes (130) disposed in the circumferential direction upstream of the plurality of fuel nozzles (24), the plurality of inlet guides disposed in proximity to each of the plurality of windows (170). With wings (130)
A combustor (100).
The combustor (100) of claim 3 , wherein the area ratio between the lower portion (150) of the flow passage (160) and the window (170) of the flow passage (160) can be varied.
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